一種新形式的矽或將徹底改變半導體行業

奈米線可以被定義為一種具有在橫向上被限制在100奈米以下（縱向沒有限制）的一維結構。懸置奈米線指奈米線在真空條件下末端被固定。典型的奈米線的縱橫比在1000以上，因此它們通常被稱為一維材料。實驗表明奈米線可以被用於下一代計算裝置，例如：透過對奈米線摻雜，並對奈米線交叉可以製作邏輯閘。這些在小尺度下才具備的性質使得奈米線被廣泛應用於新興的領域，例如納電機系統。

一項剛發表在Nature Communications的研究介紹了一種新形式的矽，該研究稱這種形式的矽可以徹底改變半導體產業。

用於製造超窄矽奈米線的新型化學氣相蝕刻工藝的示意圖

美國東北大學機械與工業工程教授 Yung Joon Jung 和他的同事Moneesh Upmanyu在奈米線合成方面取得了重大進展。他們發現了一種新的、高密度的矽形式，同時掌握了一種新的、可擴充套件的無催化劑蝕刻工藝，使生產超小尺寸，直徑為 2 到 5 nm的矽奈米線成為可能。

這項研究的起點可以追溯到大約 10 年前，Jung 注意到學生們使用矽晶片進行的一項實驗時出現的一個不同尋常的結果。在電子顯微鏡下看到的材料與學生們本打算生產的材料不同。Jung決定進一步瞭解這種物質，他發現這種物質是具有“非常、非常微小”的線狀奈米結構的矽。當時他們能夠複製新材料，但是當他們試圖改進合成過程時，奈米線並沒有生長。

隨後Jung和他的團隊開始重新從頭開始研究合成機制以及材料的原子級結構和特性。在專案中 Upmanyu使用理論、計算機建模和模擬來理解材料和解釋實驗。

有反對者認為，在合成過程中由矽晶片產生的物質可能根本不是矽。因為這種材料具有高度壓縮的結構，與普通矽相比減少了 10% 到 20%，而普通矽在這種壓縮狀態下通常是不穩定的。對此，Jung 表示 Upmanyu 的計算分析和建模能夠證明，儘管具有不同尋常的特性，但這種新材料是一種矽形式，頂部有一層非常薄的氧化物，這可能有助於維持壓縮。

Upmanyu 說，矽被廣泛用作計算機晶片、積體電路、電晶體、矽二極體和液晶顯示器等微電子領域的半導體的原因之一是它便宜且豐富。根據英國皇家化學會的說法，矽是地殼中僅次於氧的第二豐富元素，但它在自然界中並非以其純淨、未結合的狀態存在。矽可以在沙子、石英、燧石、花崗岩、雲母和粘土以及其他石頭和礦物中找到。然而，傳統的矽無法承受高溫，因此僅限於低功率應用。它的帶隙為 1。11 eV （帶隙決定了半導體材料中的電子在受到外部源刺激時導電所需的能量）。

Jung說，這種新材料具有 4。16 eV 的超寬禁頻寬度。超寬頻隙意味著材料需要更大的刺激才能導電，但可以在高功率、高溫和高頻下工作。用這種新材料生產的矽奈米線將適用於電力電子、電晶體、二極體和 LED 裝置。與普通矽不同，這種新材料具有很強的抗氧化性。這種矽能夠發出藍光和紫光，可用於紫外線照明和藍光二極體。

傳統的奈米線的製備有被懸置法、沉積法、元素合成法等。Jung和他的研究團隊還創造了一種生產矽奈米線的新方法，稱為化學氣相蝕刻。該方法透過去除材料而不是生長晶體制備奈米線。透過這種方法，可以製造出比目前商業上使用的矽奈米線小 10 到 20 倍的奈米線。

先前已知的奈米線合成工藝使用催化劑顆粒來生長矽晶體。而Jung創造的方法無需催化劑，這消除了在合成後去除催化劑的需要，因為去除催化劑會降低奈米線的功能特性。有時，催化劑顆粒會成為奈米線表面的一部分，幾乎不可能去除它們。這樣科學家們可以複製控制長度高達 100 微米的奈米線。

Upmanyu認為這項研究未來會產生廣泛的影響。這種化學氣相蝕刻方法將可用於許多其他材料。不僅可以考慮電子應用，還可以考慮任何想要獲得小尺寸的應用材料製成。新的矽材料對半導體行業應該很有吸引力。它可用於軍用無線電、雷達和太陽能電池等光伏裝置。

常規的矽帶隙不允許處理紫外線並將其用於發電。這種便宜、豐富的寬頻隙材料，可以成為擁有非常高效的太陽能電池。Upmanyu 表示這種材料甚至可以用於在水下收集太陽能，水會吸收紅色和紅外線光譜，因此能夠收集藍色和紫外線的太陽能電池變得至關重要。

新的矽奈米線可以改善鋰離子電池。進一步新增一些精選材料，如磷或氮（一種稱為摻雜的技術）可以產生其他有趣的特性並允許其他應用。此外，研究人員表示這些矽奈米線中可以操縱各種有趣的量子現象，因為它們的尺寸非常小，這使得這種材料有望用於量子資訊處理，甚至可能用於量子計算。

這項研究還沒有結束。科學家們仍然有興趣更好地瞭解該過程背後的所有化學成分，並弄清楚為什麼這種形式的矽的壓縮如此穩定。他們希望最佳化蝕刻工藝以產生更光滑的表面並進一步擴大其用於工業應用的規模。

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